Respiración Celular Aeróbica: Oxidación Completa de la Glucosa

Es el proceso mediante el cual una molécula de glucosa se oxida totalmente hasta CO2 y H2O con intervención del O2. Esta ruta catabólica se localiza en las mitocondrias de las células eucariotas o en el citoplasma y la membrana plasmática de las procariotas. En la respiración celular, el piruvato obtenido en la glucólisis es degradado en 3 etapas principales:

1. Descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico a acetil-CoA.
2. Ciclo de Krebs o del ácido cítrico.
3. Transporte de electrones en la cadena respiratoria y fosforilación oxidativa.

1. Descarboxilación Oxidativa del Ácido Pirúvico

El piruvato procedente de la glucólisis ingresa en la matriz mitocondrial, donde sufre una descarboxilación oxidativa (por acción de la enzima piruvato deshidrogenasa). En este proceso, se libera una molécula de CO2, a la vez que el piruvato es oxidado por NAD+, que se reduce a NADH. Como resultado, se forma un grupo acetilo (CH3-CO-), que es activado por el coenzima A (CoA), produciendo acetil-CoA.

Balance de la reacción:

Piruvato + CoA + NAD+ → Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2

2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

Se localiza en la matriz mitocondrial. El ciclo se inicia cuando un grupo acetilo activado (acetil-CoA) se combina con una molécula de 4 carbonos (4C), el oxalacetato, para formar un compuesto de 6 carbonos (6C), el citrato. Posteriormente, a lo largo de las etapas del ciclo, se eliminan dos átomos de carbono en forma de CO2 (se producen 2 descarboxilaciones) y se regenera el oxalacetato, que queda disponible para aceptar otra molécula de acetil-CoA.

Por cada molécula de glucosa (que produce dos piruvatos y, por tanto, dos acetil-CoA), en el ciclo de Krebs se genera directamente poca energía en forma de 2 moléculas de ATP (o GTP, que son energéticamente equivalentes). La mayor parte de la energía queda contenida en los coenzimas reducidos (NADH y FADH2), que cederán sus electrones en la siguiente etapa: la cadena respiratoria. Sin embargo, el esqueleto carbonado de la glucosa, que ingresó en el ciclo en forma de grupos acetilo, se ha degradado totalmente a CO2.

Balance energético (por cada vuelta del ciclo, es decir, por cada Acetil-CoA):

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O → CoA-SH + 3 (NADH + H+) + FADH2 + GTP + 2 CO2

3. Cadena Respiratoria y Fosforilación Oxidativa

El NADH y el FADH2 generados en las etapas anteriores deben ser oxidados nuevamente para regenerar NAD+ y FAD. Para ello, ceden los electrones captados a una serie de transportadores moleculares. Aunque el ciclo de Krebs requiere indirectamente la presencia de oxígeno (es aeróbico), no lo consume directamente; esto ocurre en la cadena respiratoria.

En la cadena respiratoria, los electrones fluyen desde los coenzimas reducidos (NADH y FADH2) hasta el aceptor final, el O2. Este flujo de electrones libera energía que se utiliza para bombear protones (H+) desde la matriz mitocondrial al espacio intermembrana. El retorno de estos protones a la matriz a través de la enzima ATP sintasa (localizada en la membrana interna mitocondrial) impulsa la síntesis de ATP. Este proceso acoplado se denomina fosforilación oxidativa.

La cadena respiratoria está formada por complejos proteicos situados en la membrana interna mitocondrial en células eucariotas (o en la membrana plasmática en procariotas). Estos complejos realizan el transporte de electrones:

• Complejo I (NADH deshidrogenasa): Recoge el par de electrones (e-) procedentes del NADH y los cede a la ubiquinona (o coenzima Q). Bombea protones.
• Complejo II (Succinato deshidrogenasa): Incluye la enzima que cataliza la oxidación del succinato a fumarato en el ciclo de Krebs. Desde él, los electrones recogidos por el FADH2 llegan también hasta la ubiquinona. No bombea protones.
• Complejo III (Citocromo bc1): Cataliza el paso de los electrones procedentes de la ubiquinona reducida al citocromo c. Bombea protones.
• Complejo IV (Citocromo c oxidasa): Recoge los electrones procedentes del citocromo c, por medio de los citocromos a y a3, y los hace llegar hasta el oxígeno molecular (O2). Su unión con 2 protones de la matriz da lugar a la formación de agua metabólica (H2O). Bombea protones.

Según la hipótesis quimiosmótica, propuesta por Peter Mitchell en 1961, la energía liberada durante el transporte de electrones a través de los complejos I, III y IV se emplea para bombear protones desde la matriz al espacio intermembranoso, generando un gradiente electroquímico.

La fosforilación oxidativa es el proceso de síntesis de ATP que se produce como consecuencia del flujo de protones de regreso a la matriz a favor de este gradiente electroquímico, a través de la ATP sintasa. Esta enzima tiene dos partes diferenciadas:

• La porción Fo, que atraviesa la bicapa lipídica y forma un canal de protones.
• La porción F1, que se proyecta hacia la matriz en forma de pomo y posee la actividad catalítica para sintetizar ATP.

Nota sobre el balance energético: El rendimiento teórico máximo es de aproximadamente 3 ATP por cada NADH y 2 ATP por cada FADH2 oxidados. Sin embargo, el balance real suele ser menor, pues la célula puede utilizar la energía del gradiente de H+ para otros fines distintos a la fosforilación del ADP, como el transporte acoplado de sustancias a través de la membrana mitocondrial interna.

Catabolismo de los Glúcidos por Fermentación

La fermentación es un proceso metabólico que tiene lugar en el citoplasma mediante el cual las células obtienen energía en condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno), por oxidación parcial de la glucosa y de otros combustibles orgánicos.

Características Generales de las Fermentaciones

• El aceptor final de electrones no es el oxígeno, sino una molécula orgánica (generalmente derivada del propio sustrato inicial, como el piruvato o un derivado), que se reduce y origina el producto final característico de cada tipo de fermentación.
• La degradación de la glucosa no es completa. El producto final es otra molécula orgánica (ej. lactato, etanol) que aún conserva gran parte de la energía química del sustrato inicial.
• El rendimiento energético neto es bajo: típicamente 2 moléculas de ATP por molécula de glucosa, obtenidas exclusivamente durante la glucólisis. Las moléculas de NADH producidas en la glucólisis son consumidas (oxidadas a NAD+) en las reacciones posteriores para reducir el aceptor orgánico final, regenerando así el NAD+ necesario para que la glucólisis continúe.

Tipos Principales de Fermentación

Fermentación Alcohólica

En este proceso, el ácido pirúvico, en condiciones anaeróbicas, se convierte en etanol (alcohol etílico) y CO2.

1. El piruvato sufre una descarboxilación (pierde una molécula de CO2) por acción de la enzima piruvato descarboxilasa, transformándose en acetaldehído.
2. El acetaldehído es reducido a etanol por el NADH + H+ obtenido en la glucólisis. Esta reacción es catalizada por la alcohol deshidrogenasa.

Reacción global de la fermentación alcohólica:

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 Etanol + 2 CO2 + 2 ATP

Realizada por levaduras (ej. Saccharomyces) y algunas bacterias.

Fermentación Láctica

En este proceso, el ácido pirúvico, en condiciones anaeróbicas, se convierte directamente en ácido láctico (lactato).

En ausencia de oxígeno, el ácido pirúvico acepta los electrones del NADH + H+ producido en la glucólisis y se reduce a ácido láctico. Esta reacción es catalizada por la enzima lactato deshidrogenasa.

Reacción global de la fermentación láctica (por molécula de glucosa):

Glucosa + 2 ADP + 2 Pi → 2 Ácido láctico + 2 ATP

Realizada por ciertas bacterias (lactobacilos) y en células musculares animales durante ejercicio intenso.

Catabolismo de los Lípidos

Las grasas o triglicéridos son lípidos con función principal de reserva energética. Para ser utilizados como fuente de energía, primero son hidrolizados por enzimas llamadas lipasas, liberando glicerol y ácidos grasos.

• La glicerina (glicerol) se fosforila y oxida, incorporándose a la glucólisis a nivel de la dihidroxiacetona-fosfato.
• Los ácidos grasos siguen una ruta catabólica específica llamada β-oxidación.

Degradación de los Ácidos Grasos: β-Oxidación

La oxidación de los ácidos grasos, conocida como β-oxidación o hélice de Lynen, se produce principalmente en la matriz mitocondrial (aunque también puede ocurrir en los peroxisomas).

Activación y Transporte a la Mitocondria:

• Los ácidos grasos primero deben activarse en el citosol uniéndose a una molécula de coenzima A (CoA), formando acil-CoA. Esta reacción requiere ATP.
• Los ácidos grasos de cadena corta (menos de 12 carbonos) pueden ingresar libremente a la matriz mitocondrial.
• Los ácidos grasos de cadena larga (12 carbonos o más) requieren un sistema de transporte especial: la lanzadera de la carnitina, que los transporta a través de la membrana mitocondrial interna.

Ciclo de β-Oxidación:

Una vez en la matriz mitocondrial, el acil-CoA sufre una secuencia cíclica de cuatro reacciones que van separando fragmentos de 2 carbonos en forma de acetil-CoA, comenzando por el extremo carboxilo de la cadena. Cada ciclo de β-oxidación consta de:

1. Oxidación por FAD (produce FADH2).
2. Hidratación.
3. Oxidación por NAD+ (produce NADH + H+).
4. Tiolisis (ruptura por CoA), que libera una molécula de acetil-CoA y un acil-CoA acortado en 2 carbonos.

El acil-CoA acortado vuelve a entrar en el ciclo, repitiéndose el proceso hasta que todo el ácido graso se ha convertido en moléculas de acetil-CoA.

Destino de los Productos:

• Las moléculas de acetil-CoA obtenidas en la β-oxidación se incorporan al ciclo de Krebs, donde son completamente oxidadas a CO2.
• El FADH2 y el NADH + H+ generados en cada ciclo de la β-oxidación (y los producidos en el ciclo de Krebs) ceden sus electrones a la cadena respiratoria para la producción de ATP mediante fosforilación oxidativa.

La oxidación completa de los ácidos grasos genera una cantidad significativamente mayor de ATP por gramo en comparación con los glúcidos.

Etiquetas: catabolismo, Ciclo de Krebs, fermentación, Fosforilación oxidativa, glucólisis, respiración celular